Generation af Lokale CA1 γ Svingninger ved tetanisk Stimulation
Summary
Svingninger er grundlæggende netværksegenskaber og moduleres af sygdom og narkotika. At studere hjerne-slice svingninger tillader karakterisering af isolerede net under kontrollerede forhold. Protokoller om tilberedning af akutte hjernen skiver for at fremkalde CA1 γ svingninger.
Abstract
Neuronale netværk svingninger er vigtige elementer i hjernens aktivitet i sundhed og sygdom, og kan moduleres af en række klinisk anvendte lægemidler. En protokol er tilvejebragt til at generere en model til undersøgelse af CA1 γ svingninger (20-80 Hz). Disse γ svingninger er stabile i mindst 30 minutter og afhænger excitatorisk og inhibitorisk synaptisk aktivitet udover aktivering af pacemaker strømme. Tetanically stimulerede svingninger har en række reproducerbare og let kvantificerbare karakteristika, herunder spike tæller, oscillation varighed, ventetid og frekvens, der rapporterer på netværket tilstand. Fordelene ved de elektrisk stimulerede svingninger omfatter stabilitet, reproducerbarhed og episodisk erhvervelse muliggør robust karakterisering af netværk funktion. Denne model af CA1 γ svingninger kan anvendes til at studere cellulære mekanismer og systematisk undersøge, hvordan neuronal netværksaktivitet er ændret i sygdom og af medikamenter.Sygdomstilstand farmakologi kan let inkorporeres ved anvendelse af hjerneskiver fra genetisk modificerede eller interventionelle dyremodeller for at muliggøre udvælgelse af lægemidler, som specifikt retter sygdomsmekanismer.
Introduction
Brain netværk svingninger forekomme inden distinkte frekvensbånd, der korrelerer til adfærdsmæssige tilstande. Hos gnavere hippocampus θ svingninger – er (5 10 Hz) observeret under sonderende adfærd 1,2, mens γ svingninger (20-80 Hz) associeret med forskellige kognitive processer, herunder perception og opmærksomhed 3,4. Synkrone γ netværksaktivitet er også impliceret i patologien af lidelser såsom epilepsi og skizofreni 5,6. For eksempel er γ svingninger menes at svare til områder af kortikale epileptiske foci 5,7,8 og kan anvendes som markører for pharmacosensitivity eller resistens, to vigtige områder af undersøgelsen i epilepsi forskning 9.
Den hippocampale hjerne skive er en model, der har været almindeligt anvendt til at undersøge netværksaktivitet 10-12. Forskellige protokoller er blevet udviklet til at generere γ svingninger i hjernen skiver, der typisk involve farmakologisk modulation såsom lav Mg2 +, 4-aminopyridin (4AP), bicucullin og kaininsyre 12-17. Mangler af farmakologisk udløste svingninger er, at de opstår tilfældigt efter narkotika ansøgning og er ikke pålideligt genereres eller stabile over tid. Elektrisk udløsning γ oscillationer overvinde mange af disse problemer og har også den fordel, at tidsmæssigt låst til stimulerende begivenhed giver mulighed for episodisk registrering og analyse. Her en protokol er beskrevet til frembringelse af CA1 γ svingninger ved at levere en tetanic stimulation til stratum Oriens i hippocampale udsnit.
Protocol
Representative Results
Discussion
En robust metode til at generere CA1 γ svingninger i akutte hjernen skiver er beskrevet. Svingninger genereret udspringer fra en lokal kreds muliggør en bedre mulighed for at styre og forstå neurofysiologiske grundlag af net svingninger 12. AMPA-receptorer, GABAA-receptorer, I h og T-typen Ca2 + kanaler er alle nødvendige for γ svingninger i denne model. Mens de lokale CA1 oscillationer beskrevet her kan robust genereret afhænger sikre, at hjernen skiver er sunde. Et afg…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Supported by APA to RJH, NHMRC program grant 400121 to SP, and NMHRC fellowship 1005050 to SP. CAR acknowledges the support of the ARC (FT0990628) and the DOWD fellowship scheme. The Florey Institute of Neuroscience and Mental Health is supported by Victorian State Government infrastructure funds.
Materials
| 4-(N-Ethyl-N-phenylamino)-1,2- dimethyl-6-(methylamino) pyrimidinium chloride (ZD7288) | Sigma-Aldrich | Z3777 | |
| Biuculline | Sigma-Aldrich | 14340 | |
| 6-cyano-7-nitroquinoxa- line-2,3-dione (CNQX) | Sigma-Aldrich | C127 | |
| Nickel | Sigma-Aldrich | 266965 | |
| Carbamazepine | Sigma-Aldrich | C4024 | |
| (2R)-amino-5-phosphonopentano-ate (APV) | Tocris Bioscience | 0105 | |
| Retigabine | ChemPacific | 150812-12-7 | |
| Choline-Cl | Sigma Aldrich | C1879-5KG | |
| KCl | Sigma Aldrich | P9333-500G | |
| NaH2PO4 | Sigma Aldrich | S9638-250G | |
| NaHCO3 | Sigma Aldrich | S6297-250G | |
| NaCl | Sigma Aldrich | S7653-5KG | |
| Glucose | Sigma Aldrich | G8270-1KG | |
| CaCl2.2H2O | Sigma Aldrich | 223506-500G | |
| MgCl2.6H2O | Sigma Aldrich | M2670-500G | |
| Electrode glass | Harvard Apparatus | GC150F-10 | |
| Concentric bipolar stimulating metal electrode | FHC | CBBPF75 | |
| Digital Isolator | Getting Instruments | Model BJN8-9V1 | |
| Model 1800 amplifier | A-M systems | Model 1800 amplifier | |
| Digitizer | National Intruments | NI USB-6211 | |
| Vibrotome | Leica | VT1200s |
Referências
- Buzsaki, G. Theta rhythm of navigation: link between path integration and landmark navigation, episodic and semantic memory. Hippocampus. 15 (7), 827-840 (2005).
- Vanderwolf, C. H. Hippocampal electrical activity and voluntary movement in the rat. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 26 (4), 407-418 (1969).
- Bartos, M., Vida, I., Jonas, P. Synaptic mechanisms of synchronized gamma oscillations in inhibitory interneuron networks. Nat. Rev. Neurosci. 8 (1), 45-56 (2007).
- Buzsáki, G., Wang, X. -. J. Mechanisms of gamma oscillations. Annu. Rev. Neurosci. 35, 203-225 (2012).
- Kobayashi, K., et al. Cortical contribution to scalp EEG gamma rhythms associated with epileptic spasms. Brain Dev. 35 (8), 762-770 (2013).
- Andreou, C., et al. Increased Resting-State Gamma-Band Connectivity in First-Episode Schizophrenia. Schizophr Bull. , (2014).
- Alarcon, G., Binnie, C. D., Elwes, R. D., Polkey, C. E. Power spectrum and intracranial EEG patterns at seizure onset in partial epilepsy. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 94 (5), 326-337 (1995).
- Fisher, R. S., Webber, W. R., Lesser, R. P., Arroyo, S., Uematsu, S. High-frequency EEG activity at the start of seizures. J. Clin. Neurophysiol. 9 (3), 441-448 (1992).
- Kwan, P., Brodie, M. J. Early identification of refractory epilepsy. N. Engl. J. Med. 342 (5), 314-319 (2000).
- Traub, R. D., Kopell, N., Bibbig, A., Buhl, E. H., LeBeau, F. E., Whittington, M. A. Gap junctions between interneuron dendrites can enhance synchrony of gamma oscillations in distributed networks. J. Neurosci. 21 (23), 9478-9486 (2001).
- Traub, R. D., Whittington, M. A., Buhl, E. H., Jefferys, J. G., Faulkner, H. J. On the mechanism of the gamma –> beta frequency shift in neuronal oscillations induced in rat hippocampal slices by tetanic stimulation. J. Neurosci. 19 (3), 1088-1105 (1999).
- Whittington, M. A., Stanford, I. M., Colling, S. B., Jefferys, J. G., Traub, R. D. Spatiotemporal patterns of gamma frequency oscillations tetanically induced in the rat hippocampal slice. J. Physiol. 502 (3), 591-607 (1997).
- Avoli, M., Panuccio, G., Herrington, R., D’Antuono, M., de Guzman, P., Lévesque, M. Two different interictal spike patterns anticipate ictal activity in vitro. Neurobiol. Dis. 52, 168-176 (2013).
- Boido, D., Jesuthasan, N., de Curtis, M., Uva, L. Network Dynamics During the Progression of Seizure-Like Events in the Hippocampal-Parahippocampal Regions. Cereb Cortex. 24 (1), 162-173 (2014).
- Gloveli, T., Albrecht, D., Heinemann, U. Properties of low Mg2+ induced epileptiform activity in rat hippocampal and entorhinal cortex slices during adolescence. Brain Res. Dev. Brain Res. 87 (2), 145-152 (1995).
- McLeod, F., Ganley, R., Williams, L., Selfridge, J., Bird, A., Cobb, S. R. Reduced seizure threshold and altered network oscillatory properties in a mouse model of Rett syndrome. Neurociência. 231, 195-205 (2013).
- Bracci, E., Vreugdenhil, M., Hack, S. P., Jefferys, J. G. On the synchronizing mechanisms of tetanically induced hippocampal oscillations. J. Neurosci. 19 (18), 8104-8113 (1999).
- Main, M. J., Cryan, J. E., Dupere, J. R., Cox, B., Clare, J. J., Burbidge, S. A. Modulation of KCNQ2/3 potassium channels by the novel anticonvulsant retigabine. Mol. Pharmacol. 58 (2), 253-262 (2000).
- Wickenden, A. D., Yu, W., Zou, A., Jegla, T., Wagoner, P. K. Retigabine, a novel anti-convulsant, enhances activation of KCNQ2/Q3 potassium channels. Mol. Pharmacol. 58 (3), 591-600 (2000).
- Otto, J. F., Kimball, M. M., Wilcox, K. S. Effects of the anticonvulsant retigabine on cultured cortical neurons: changes in electroresponsive properties and synaptic transmission. Mol. Pharmacol. 61 (4), 921-927 (2002).
- Pomper, J. K., Graulich, J., Kovacs, R., Hoffmann, U., Gabriel, S., Heinemann, U. High oxygen tension leads to acute cell death in organotypic hippocampal slice cultures. Brain Res. Dev. Brain Res. 126 (1), 109-116 (2001).
- Hatch, R. J., Reid, C. A., Petrou, S. Enhanced in vitro CA1 network activity in a sodium channel β1(C121W) subunit model of genetic epilepsy. Epilepsia. 55 (4), 601-608 (2014).
- Lord, L. -. D., Expert, P., Huckins, J. F., Turkheimer, F. E. Cerebral energy metabolism and the brain/’s functional network architecture: an integrative review. J. Cereb. Blood Flow Metab. 33 (9), 1347-1354 (2013).
- Hájos, N., et al. Maintaining network activity in submerged hippocampal slices: importance of oxygen supply. Eur. J. Neurosci. 29 (2), 319-327 (2009).
- Hájos, N., Mody, I. Establishing a physiological environment for visualized in vitro brain slice recordings by increasing oxygen supply and modifying aCSF content. J. Neurosci. Methods. 183 (2), 107-113 (2009).
- Boido, D., Jesuthasan, N., de Curtis, M., Uva, L. Network Dynamics During the Progression of Seizure-Like Events in the Hippocampal-Parahippocampal Regions. Cereb Cortex. 24 (1), 163-173 (2012).
- Antuono, M., Köhling, R., Ricalzone, S., Gotman, J., Biagini, G., Avoli, M. Antiepileptic drugs abolish ictal but not interictal epileptiform discharges in vitro. Epilepsia. 51 (3), 423-431 (2010).
- Stenkamp, K., et al. Enhanced temporal stability of cholinergic hippocampal gamma oscillations following respiratory alkalosis in vitro. J. Neurophysiol. 85 (5), 2063-2069 (2001).
